挤出成型工艺及设备.ppt

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1、,11.挤出成型工艺及设备,挤出成型工艺是生产热塑性复合材料(Fiber Reinforced Thermo Plastics 简称FRTP)制品的主要方法之一。工艺过程：先将树脂和增强纤维制成粒料，然后再将粒料加入挤出机内，经塑化、挤出、冷却定型而成制品。,应用：广泛用于生产各种增强塑料管、棒材、异形断面型材等。优点：1、能加工绝大多数热塑性复合材料及部分热固 性复合材料；2、生产过程连续，自动化程度高；3、工艺易掌握及产品质量稳定等。缺点：只能生产线型制品。,1、FRTP粒料生产工艺及设备,短纤维增强FRTP是将玻璃纤维或其它纤维(长0.2 一7mm)均匀地分布在热塑性树脂基体中的一种复合

2、材料，其生产工艺一般都要经过造粒和成型两个过程。长纤维：3-13mm，纤维平行于粒料 长度方向排列。增强粒料 短 纤 维：0.25-0.5mm,纤维和树脂无规 混合长纤维粒料生产的制品其力学性能较高，短纤维粒料则用于生产形状复杂的薄壁制品。,1.1 长纤维粒料生产工艺及设备,1.1.1 造粒工艺 长纤维粒料是将玻璃纤维束包覆在树脂中间，纤维长度等于粒料长度。根据纤维在粒料断面的分布情况，分为三种形式:,1.1.2 长纤维粒料的生产工艺流程,玻璃纤维束,树脂及助剂,包覆机头,挤 出,冷 却,牵 引,切 粒,包 装,制 品,1.1.3 生产长纤维增强粒料的设备布置工艺形式,图11-1 增强粒料设备

3、平面布置简图,图11-2 增强粒料设备立面布置图,1.1.4 机头,玻璃纤维通过型芯中的导纱孔进入机头型腔与熔融的树脂混合。,1.1.4.1 型芯构造形式,分瓣式,套管式,迷宫式,1.1.5 牵引和切粒,牵引和切粒一般是在一台机器上完成，牵引机构是由两对牵引辊完成，第一对牵引辊的牵引速度比第二对辊低，从而保证两道牵引辊之间有一定的张力，防止料条堆积，但张力不能过大，否则会将料条拉断。切粒是用切刀将料条连续不断地切成所需要长度的粒料。,冷切造粒机组,本机组主要由塑料挤出机、冷却水槽、刀式吹干机、切粒机、振动筛五个单元组成，总长约12米，适用于PVC，PE等及其它工程塑料造粒。,最大切粒长度（3m

4、m）,最大切粒长度（3mm）,QLJ-3、SQ200,SJ系列单螺杆挤出机,1.2 短纤维粒料生产工艺,1、短纤维粒料生产方法有三种：(1)短切纤维原丝单螺杆挤出法 将短切玻璃纤维原丝与树脂按设计比例加入到单螺杆挤出机中混合、塑化、挤出条料，冷却后切粒。对于粒料树脂，要重复23次才能均匀。对于粉状树脂，则可一次挤出造粒。优点：纤维和树脂混合均匀，能适应柱塞式注射机生产。缺点：玻璃纤维受损伤较严重；料筒和螺杆磨损严重；生 产速度较低；劳动条件差，粉状树脂和玻璃纤维易飞扬。,(2)单螺杆排气式挤出机回挤造粒法,将长纤维粒料加入到排气单螺杆挤出机中，回挤一次造粒。如果粒料中挥发物较少，则可用普通挤出

5、机回挤造粒。优点：生产效率高；粒料质地密实，外观质量较好；劳动条件好，无玻璃纤维飞扬。缺点：用长纤维粒料二次加工树脂老化几率增加；粒料外观及质量不如双螺杆排气式挤出机造粒好。如果考虑到长纤维造粒过程；其工序多，劳动生产率低。,(3)排气式双螺杆挤出机造粒法,将树脂和纤维分别加入排气式双螺杆挤出机的加料孔和进丝口，玻璃纤维被左旋螺杆及捏合装置所破碎，在料简内纤维和树脂混合均匀，经过排气段除去混料中的挥发性物质，进一步塑炼后经口模挤出料条，再经冷却、干燥(水冷时用)，然后切成粒料。粒料中的纤维含量，可由调整送入挤出机的玻纤股数和螺杆转速来控制。单螺秆挤出机主要是靠机头压力产生均质熔体，双螺抨挤出机

6、完全是靠螺杆作用使树脂充分塑化，并与纤维均匀复合。因此，它除具有排气式单螺杆挤出造粒的优点外，比单螺杆挤出机更有效地挤出造粒和利用松散物料。,SJSZ系列锥形双螺杆挤出机,2、设备,生产短纤维粒料的主要设备是挤出机和造粒机头，它不需要单独的牵引和切粒机。A、挤出机 B、造粒机头 长纤维粒料的造粒是采用冷切法，其原因是不使纤维从粒料中抽出，短纤维粒料的造粒是采用热切法。因为从机头挤出来的料条中纤维已经很短，可以不经冷却直接通过造粒机头造粒。构造见P296,11.2 影响FRTP性能的因素,1 基体树脂对FRTP性能影响,1)力学性能提高23倍以上,2)提高热变形温度,3)产品尺寸稳定提高,4)降

7、低线膨胀系数13倍,5)对于吸水率影响,FRTP的耐化学腐蚀性能主要取决于树脂的品种,不同的热塑性树脂，性能差别很大，用纤维增强后，其效果也有很大差别。,6)耐疲劳性能、抗蠕变性能,7)防止开裂,2 纤维含量对FRTP性能的影响,3 纤维质量对性能的影响,(1)纤维直径对性能的影响,各种树脂品种的FRTP的最佳纤维含量不同。,一般来讲，纤维直径越细，强度越高，但有时相差不大，可能是因为纤维细强度高，但同样含量纤维用在CM中，弱界面也随之增加，加工过程中纤维磨损严重，强度损失也较大。,(2)纤维长度和分散状态对性能影响,(3)玻璃纤维表面处理对CM性能影响,一般规律是纤维越长，制品强度越高。试验

8、表明，当玻纤长度小于0.04mm时，纤维不起增强作用。纤维在制品中的分散状况对制品性能影响较大。一般来讲，纤维分散越均匀，机械强度和热性能就越好，弹性模量也有明显的增加，所以要保证纤维尽可能分散均匀。,玻纤表面处理情况对FRTP性能影响很大。处理后，力学性能有明显的提高。表11-5。,界面问题,表面：把物体与空气接触的面叫该物体的表面。液体表面液体与饱和了的空气所接触的面。固体表面固体与它接触的空气面。,界面：把几个不同相相互交界部分叫“界面”。界面包括表面，比表面范围大。,11.3 FRTP挤出成型工艺,定义：,挤出成型需要完成粒料输运、塑化和在压力作用下使熔融物料通过机头口模获得所要求的断

9、面形状制品。,图11-16 挤出成型示意图1-转动机构；2-止推轴承；3-料斗；4-冷却系统；5-加热器；6-螺杆；7-机筒；8-滤板；9-机头孔型,加料,塑化,成型,定型,过程:,加料段,压缩段,均化段,图11-17 挤出过程中物料和压力的变化,粒料从料斗进入到挤出机的机筒，在热压作用下发生物理变化，（非化学变化），并向前推进。由于滤板、机头和机筒的阻力，使粒料压实，排气；与此同时外部热源与和物料摩擦热使粒料受热塑化，变成熔融粘流态，凭借螺杆推力，定量地从机头挤出，挤出过程中的压力和温度变化为,图11-17 挤出过程中物料和压力的变化,1 加料段工作原理,靠螺纹旋转时产生的轴向分力向前推进。

10、如图11-18,加料段由加料区（料斗）、固体输送区和迟后区所组成。功能是对加入的料进行压实和输送。,F1向前,F,F2向上,粒料在机筒内的运动可以分解为旋转运动和轴向运动；旋转运动是由粒料和螺杆的摩擦作用，被螺杆带动旋转；轴向运动是靠螺纹旋转时产生的轴向分力向前推进。,为使粒料沿轴向运动，采取的措施有：1、提高螺杆的表面光洁度，使其高于机筒表面光洁度。2、加料段的料筒温度高于螺杆温度（因为粒料熔融前与钢铁的摩擦系数随温度升高而增大）3、机筒表面开设纵向槽沟。,在加料段的末端，由于摩擦热的作用，与机筒内壁接触的粒料已达到粘流温度，并开始熔融。,2 压缩段工作原理,松散的粒料被压实、软化，同时把夹

11、带的空气压回到加料口排出。如图11-19,把压缩段送来的熔融物料进一步塑化均匀，使其能定量、定压挤出。螺杆结构如图11-20,3 均化段工作原理,至压缩段末端，全部物料已转变为粘流态。,压缩比：螺杆在加料口的螺槽容积与均化段最后一个螺槽容积之比。,图11-18 塑料在普通螺杆挤出机中的挤出过程简图,图11-19 固体物料在螺槽中的熔融过程 1-熔膜；2-熔池；3-迁移面（分界面）；4-熔结的固体粒；5-未熔结的固体粒子,(1)正流,(2)逆流,(3)横流,(4)漏流,图11-20 螺杆几何构造,作业：1、长纤维的造粒工艺；2、挤出机螺杆压缩段的功用；3、纤维质量对FRTP性能的影响。,114

12、FRTP管挤出成型工艺,1 挤管工艺,FRTP管的成型条件与普通塑料管工艺基本相似，只是成型温度要提高10-20。,物料在主机内塑化完全后，经虑板、分流器和型孔初步定型，经过定径套初步冷却定型，进入冷水槽硬化，再经牵引装置引出，定长切断。成型过程中，不断由模心通入压缩空气，保证管材挤出后的尺寸稳定。,115 挤出成型设备,1 挤出成型机组组成,挤出机主机、辅机和控制系统组成。,1.1 挤出机主机组成,(1)挤压系统,(2)传动系统,(3)加热和冷却系统,2 挤出机辅机,由机头、定型装置、冷却装置、牵引装置、切割装置和堆放装置组成,评价挤出机，从两个方面考虑：,(1)生产能力的高低，适用范围是否

13、广泛,(2)应具有较完善的控制系统,(1)、机头 机头的型孔决定制品断面的形状，不同的制品可更换。,(2)、定型装置 其作用是稳定挤出型材的形状，一般采用冷却式压光法。,(3)、冷却装置 使挤出的制品充分冷却固化。,(4)、牵引装置 将挤出制品引出，牵引速度的大小对断面尺寸也有一定影响，对生产效率有一定的影响。,(5)、切割装置 将挤出的制品按要求切断。,(6)、堆放装置 将切断的制品整齐堆放。,三、控制系统,一般是电器控制设备或计算机控制系统。作用：保证机组正常运行，使设备准确完成各工艺动作。,11.5.2 挤出机主机,一、分类及构造,按工作原理分,螺杆式,无螺杆式,单螺杆式,双螺杆式,普通

14、型,高速自热型,按排气状况分,排气式,分段组合式,按用途分,造粒挤出机,超高分子量挤出机,混炼挤出机,安装位置分,立式挤出机,卧式挤出机,目前用的最广泛的是卧式单螺杆和双螺杆挤出机。,二、单螺杆挤出机（前11-25图）,其基体结构包括,（1）、加料装置 一般为锥形漏斗，其大小能容纳1小时用料为宜。料斗内装有阀门，定量计算，卸除余料等装置。,（2）、挤压系统 包括螺杆、机筒、端头多孔板。,a、螺杆（图11-26）加料段L1，压缩段L2，均化段L3(通常螺杆)螺槽越来越浅。图11-27 排气式螺杆 分为六段。其它工艺参数见 P307,b、机筒 工作过程中压力3050MPa，150300 机筒强度需

15、强度高、耐腐蚀、耐磨损；机筒外采用电阻加热和水冷却。,c、筒端多孔板 使物料由旋转流动变为直线流动，沿螺杆轴方向形成压力，增大塑化的均匀性。多孔板的孔径为36mm，板厚为直径的1/5。,三、双螺杆挤出机,在“”字形机筒内，装有两根互相啮合的螺杆。双螺杆挤出机的每根可以是整体，也可以加工成几段组装，其形状可以是平行式，也可以是锥形，两螺杆的旋转方向分为同向和异向两种。,（1）双螺杆挤出机的特点 a、由摩擦产生的热量较少；b、物料受到的剪切力比较均匀；c、输出能力较大，挤出量比较稳定；d、机筒可以自动清洗。,锥形双螺杆挤出机,移动式挤出机系列（专用型）,平行螺杆积木块,往复式螺纹块,平行积木式螺杆

16、,a、螺杆直径 45400mm，国产最大250mm；b、螺杆长径比 一般为78，最长可达36；c、螺槽深度 可以取较大的螺槽深度，可以超过0.06D d、螺纹厚度 P308计算公式,（2）螺杆的主要参数,e、螺杆转速 同向旋转转速可达 300转/分 双向旋转转速可达 850转/分f、双螺杆的中心距A 0.71 Ds（Ds螺杆外径）单螺纹、双螺纹、三头螺纹（来复线根数）g、螺杆转向 目前国内多采用双向旋转式，可加工硬度较大的塑料混合料。h、螺杆与机筒的间隙 0.32 mm小直径螺杆取大值，大直径取小值。（大直径不易变形）,四、挤出机生产能力计算,（1）经验公式计算法,Q nD2Q挤出量，cm3/

17、sn螺杆转速，r/sD螺杆直径，cm系数，0.0030.007Q0.06D2.5（11-2）,（2）理论公式计算,五、影响挤出机生产能力的因素,（1）物料压力与生产能力的关系 正流量与压力无关，倒流和漏流量与压力成反比，因此，一般压力增加挤出机产量降低。如图11-30。螺杆与机筒的间隙愈大，产量降低愈多。但是提高压力对物料的塑化有利。,（2）树脂种类及螺杆转速对生产能力的影响 转速增加生产能力增加；不同树脂，其增加的幅度不一样。图11-31,（3）螺杆几何尺寸对生产能力的影响 a、螺杆直径越大生产能力越大；b、螺槽深度 螺槽深度大，当压力低时生产能力大；当压力高时生产能力小。如图11-32 c

18、、螺杆长度 均化段长度增加，生产能力增加；d、螺杆与机筒间隙 间隙愈大产量愈低。Q漏3,（4）温度对生产能力的影响 T升高时，生产能力下降；原因：T升高时，物料粘度下降，逆流、漏流增加。,六、部分国产挤出机型号和性能 表11-9 SJ表示塑料挤出机；Z表示造粒机；W表示喂料机,11.5.3 辅机作用：是将连续挤出的已获得初步形状和尺寸的制品进行定型，达到一定的表面质量，最终成为可供使用的制品或半成品。,一、制管和异型材的辅机 如图11-23，前面已经介绍过的挤管工艺流程。辅机由机头、定型装置、冷却装置、牵引装置、夹紧切割装置等组成。,1）外径定型 是国内普遍采用的方法，又分为内压定型和真空定型

19、。内压定型法：是在机头芯棒的肋上打孔，向管内或型材内通入压缩空气，由气体压力的作用，使管壁与定径套壁接触，定径套靠水冷却，使管初步冷却然后进入水槽内进一步冷却定型。图11-37 内压定径套示意图。真空定型法：由真空定型套、冷却水槽、真空泵、电机、管道等组成。采用在制品与定型套之间抽真空，使制品与定型套接触冷却的方法。,与内压法相比，此法更适合于异型材的生产，此法无内压力，制品的内压力较小，操作方便，废品率低。,在生产中采用更加简单实用的校准技术的设想，促进了校准套管革命性的发展。适用于HDPE管及PP管生产中，通过校准套管的调准技术，可以平衡由不同原料及不同压力等因素造成的管壁收缩数值。,同时

20、具有如下有优势：-可调直径范围大。适用于16mm到630mm。目前最大已可达1600mm。-操作简便，独立高效。外径可在真空定径前得到直接的调整。-外径调整比率大。160mm的管径，最大可调12.7mm，调整比率达8%。,调整套管可以分成两端来适应增加或减少的管道外径，这样有一个很大的调整范围，需要的管道直径用一个可变的锥形环来调整。设计中涉及的入口尺寸不受调整功能的影响，调整套管入口尺寸等同于高容量套管的尺寸。在生产过程中，调整套管的直径可以手动调整，当然也可以选择自动调整。,校准套管必需有很好的滑动性和极好的导热性，此外还需要抗磨损。因为这些因素，校准套管是采用一种几乎不磨损的合金用离心工

21、艺铸造的，校准圆盘采用高质铬钢材料。标准的制造材料是青铜。当然也可选择用防腐的铝合金材料作为制造材料。在特殊情况下，也可根据生产的要求选择镀铬、镀镍材料。如果这些情况均不能满足生产中的实际要求，那么也可选择不锈钢材料。,（4）牵引装置 作用：给挤出管提供一定的牵引力，牵引速度。均匀稳定地将制品引出。牵引装置必须满足：a、速度无级调节；b、牵引力、速度保持恒定；c、对制品的夹持力能够调节 牵引速度一般比挤出速度略快。,（5）切割装置 a、自动或手动园锯切割机 如图11-44，由行程开关控制夹持器和电动锯片。夹持器夹住制品之后，锯座与制品同步运动，锯片开始切割，切断后夹持器松开返回原处。（适用于切

22、200mm直径以下的管）b、行星切割装置 锯片不仅自转，而且围绕管的直径旋转，锯片可以是一个也可以是几个。适用于切大口径管。,三、挤板辅机（前面介绍的是挤管异型材辅机，下面介绍挤板辅机）挤板工艺流程如图11-45。主要设备：挤出机、机头、三辊压光机、牵引机、切割机等。（1）挤板机头 扁平式机头，按机头内部结构可分为：a、鱼尾板形机头、b、支管式机头 c、衣架式机头 d、螺杆分配机头,（a）鱼尾板机头 图11-46，形状象鱼尾，适合于宽幅板生产，结构简单，容易制造。（b）支管式机头 图11-47 特点：机头内有一个圆筒形槽，槽内可贮存一定量的物料，起到使料流稳定，压力稳定的作用。另外，其结构简单

23、，机头体积小，操作方便，但物料在机头内停留时间长，易分解，不适于热敏性树脂。,（c）衣架式机头 图11-48 综合了支管式和鱼尾式机头的优点，并缩小了支管式圆形槽，使停留时间减少，采用了鱼尾式机头的扇形流槽。但结构复杂，制作难度大，造价高。（d）螺杆分配机头 图11-49 其特点是在支管式机头的支管内安装一根分配螺杆，分配螺杆由独立的电机驱动，使熔融物料不在支管内滞留，并保证物料在宽度方向分配均匀。特点：适应树脂品种多，构造复杂，产品易出现波浪形痕迹。,（2）压光机 作用：压光、冷却和一定的牵引作用。压光辊的长度一般比挤出机机头稍宽，表面镀铬。三辊压光机距机头的距离510cm，愈近愈好，减少制

24、品收缩。三辊压光机的牵引速度应比挤出机速度快1025，由此可消除皱纹并减少板材的挤出膨胀内应力，起到很好的压光作用。三辊压光机排列形式如图11-50,（3）牵引装置 由一对钢轮组成，一主动轮、一从动轮，外包橡胶防止打滑，要求无级调速。其牵引速度应与压光机同步，考虑冷却收缩，可略小于压光机速度。（4）切割与卸料机构 切割分为：a、切边园盘切割机 b、切断切刀 卸料机构作用：将切断的板材堆集起来。下堆料式 图11-51 目前采用较多 侧堆料式 前堆料式下堆料式卸料机原理：切断后的板材到达翻料位置后，触动行程开关，翻转电机依靠自重向两侧翻下，板材落在接料车上，并触动另一行程开关，使翻转电机反转，翻板回复原位。思考题1-11。,